เมื่อยานอวกาศต้องเดินทางออกไปยังดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ หรือขอบนอกสุดของระบบสุริยะ แสงอาทิตย์จะริบหรี่จนแผงโซลาร์เซลล์ไม่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เพียงพอ การสำรวจอวกาศห้วงลึกที่ยาวนานหลายสิบปีจึงต้องพึ่งพา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (RTG) หรือที่รู้จักกันในนาม “แบตเตอรี่นิวเคลียร์” ซึ่งทำงานเงียบสนิท ไร้ชิ้นส่วนเคลื่อนไหว และผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องไม่ว่าสภาพแวดล้อมจะมืดมิดหรือหนาวเหน็บเพียงใด
หลักการทำงาน: แปลงความร้อนจากการสลายตัวเป็นไฟฟ้า
RTG ไม่ใช่เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันที่ต้องควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่ทำงานผ่านกระบวนการทางฟิสิกส์พื้นฐาน 2 ขั้นตอน
- ความร้อนจากการสลายตัวของสารรังสี (Radioactive Decay Heat)
แกนกลางของ RTG บรรจุไอโซโทป พลูโทเนียม-238 (Pu-238) ในรูปของเซรามิกพลูโทเนียมไดออกไซด์ (PuO2) ซึ่งจะสลายตัวและปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาอย่างต่อเนื่อง ก่อให้เกิดความร้อนสูงถึงหลายร้อยองศาเซลเซียสจนเม็ดเชื้อเพลิงเปล่งแสงสีแดงเรื่อ - ปรากฏการณ์เซเบก (Seebeck Effect)
ความร้อนจากแกนเชื้อเพลิงจะส่งผ่านไปยังคู่สารกึ่งตัวนำเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermocouple) โดยด้านหนึ่งสัมผัสกับความร้อนสูง และอีกด้านหนึ่งสัมผัสกับครีบระบายความร้อนที่หันออกสู่ความเย็นยะเยือกของอวกาศ ผลต่างของอุณหภูมินี้จะผลักดันให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ เกิดเป็นกระแสไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จ่ายให้กับยานอวกาศ
https://www.youtube.com/watch?v=F_fW7B3Xf3g
ทำไมต้องเป็นพลูโทเนียม-238?
แม้จะมีธาตุกัมมันตรังสีมากมายในตารางธาตุ แต่วิศวกรอวกาศเลือกใช้ Plutonium-238 เป็นสารมาตรฐานหลักสำหรับภารกิจสำรวจอวกาศเนื่องจากคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ที่โดดเด่น
Pu-238 แตกต่างจาก Pu-239 ที่ใช้ทำระเบิดนิวเคลียร์
พลูโทเนียม-238 ไม่สามารถนำมาใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์ได้ และแผ่รังสีออกมาเป็นอนุภาคแอลฟา ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงต่ำมาก เพียงแผ่นโลหะหุ้มภายนอกก็สามารถกักเก็บรังสีไว้ได้อย่างปลอดภัย
| คุณสมบัติทางฟิสิกส์ | ค่าของ Pu-238 | ความสำคัญต่อภารกิจอวกาศ |
|---|---|---|
| ครึ่งชีวิต (Half-life) | 87.7 ปี | กำลังไฟฟ้าลดลงเพียงประมาณ 1% ต่อปี ทำให้ยานทำงานได้ต่อเนื่องหลายสิบปี |
| ความหนาแน่นกำลังความร้อน | ~0.57 วัตต์ต่อกรัม | ให้ความร้อนเข้มข้นในขนาดโมดูลที่กะทัดรัดและน้ำหนักเบา |
| ความปลอดภัยทางรังสี | แผ่รังสีแอลฟาเป็นหลัก | ไม่สร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์บนยาน |
ภารกิจในตำนานที่รอดชีวิตด้วยพลังงาน RTG
หากไม่มีเทคโนโลยี RTG ภารกิจสำรวจอวกาศที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมนุษยชาติหลายโครงการจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้จริง
- Voyager 1 และ 2
ออกเดินทางตั้งแต่ปี 1977 และยังคงส่งข้อมูลโทรมาตรกลับสู่โลกจากห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว (Interstellar Space) มาจนถึงปัจจุบัน รวมระยะเวลาปฏิบัติภารกิจต่อเนื่องยาวนานกว่า 48 ปี - New Horizons
บินผ่านสำรวจดาวพลูโตและแถบไคเปอร์ที่ระยะห่างมากกว่า 5 พันล้านกิโลเมตร ซึ่งแสงอาทิตย์อ่อนแรงกว่าบนโลกถึง 1,000 เท่า - Curiosity และ Perseverance
รถโรเวอร์บนดาวอังคารใช้ระบบ MMRTG (Multi-Mission RTG) ช่วยให้ปฏิบัติงานได้ตลอด 24 ชั่วโมง ทั้งกลางวันและกลางคืน โดยไม่ต้องกังวลเรื่องฝุ่นพายุทรายดาวอังคารมาบดบังแผงโซลาร์เซลล์
เทคโนโลยี RTG จึงเป็นหัวใจสำคัญที่หล่อเลี้ยงระบบคอมพิวเตอร์และเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์ ให้สามารถไขความลับของจักรวาลในจุดที่แสงอาทิตย์ส่องไปไม่ถึงได้อย่างแท้จริง